張宸瑜，李舒，許傳龍，王式民(.能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，0096；.南京市計(jì)量監(jiān)督檢測院科技發(fā)展部，江蘇 南京，0037)

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基于CCD 的粉塵質(zhì)量濃度光散射測量系統(tǒng)

張宸瑜1，李舒2，許傳龍1，王式民1
(1.能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2.南京市計(jì)量監(jiān)督檢測院科技發(fā)展部，江蘇 南京，210037)

摘要：針對(duì)散射積分法測量粉塵顆粒質(zhì)量濃度時(shí)，測量系統(tǒng)并不能滿足角度積分上限為π和角度下限為0的固有缺陷，基于 Mie 理論數(shù)值計(jì)算散射光強(qiáng)的角分布，進(jìn)而對(duì)質(zhì)量濃度測量誤差進(jìn)行分析。利用電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)的高靈敏度、低噪聲、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，研究并搭建一種基于CCD的光散射顆粒質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)，并通過已知孔徑的小孔對(duì)CCD測量系統(tǒng)的角度分辨率和放大率進(jìn)行校正，測試CCD的靈敏度及線性度。最后，利用已知粒徑和質(zhì)量濃度的樣品對(duì)測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：當(dāng)散射角積分為0.03°～5°時(shí)，可滿足質(zhì)量濃度測量需要，測量相對(duì)誤差小于15%。

關(guān)鍵詞：粉塵質(zhì)量濃度；CCD；散射積分法；光散射

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，粉塵的危害也越來越嚴(yán)重。大氣中的可吸入性粉塵會(huì)對(duì)人體的健康造成威脅[1]，且一些可燃性粉塵存在爆炸性危險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度的在線監(jiān)測，可以對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行有效監(jiān)控，防止粉塵爆炸，燃煤電站煤粉質(zhì)量濃度在線測量可以指導(dǎo)鍋爐的優(yōu)化調(diào)節(jié)等，因此，實(shí)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度在線測量具有重要意義。根據(jù)工作原理不同，粉塵質(zhì)量濃度的測量方法可分為取樣法和非取樣法[2]，其中，非取樣法包括黑度法、光學(xué)法[3]、超聲波衰減法[4]和電荷法[5]等。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)法具有非接觸測量、粒徑測量范圍寬、測量對(duì)象廣、自動(dòng)化程度高及預(yù)知參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展最為迅速。國外在20 世紀(jì) 70 年代推出了基于消光理論[6]的煙塵濃度測量的濁度計(jì)，但相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)消光法的吸收系數(shù)在實(shí)際的煙塵測量中不能作為常數(shù)，這對(duì)消光法的應(yīng)用帶來了很大限制。德國 Karl Sruhe研究中心研制的MESA(massConcentration extinction size analyzer)測量系統(tǒng)結(jié)合了消光法和壓電振動(dòng)法，可在線測量粉塵質(zhì)量濃度及平均粒徑，但測量裝置復(fù)雜[7]。近些年，國內(nèi)在利用散射光測量粉塵質(zhì)量濃度方面進(jìn)行了不少研究，主要是基于 Mie 散射理論[8]計(jì)算某一空間立體角的光通量，利用光通量與顆粒質(zhì)量濃度呈正比關(guān)系的原理進(jìn)行測量，也稱為光度計(jì)法[9]，但針對(duì)不同折射率及粒徑分布下的顆粒群，光通量與顆粒質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線并不一致，故需重新標(biāo)定。針對(duì)高質(zhì)量濃度煙塵環(huán)境的測量，后向散射法[10]具有很大優(yōu)勢，但其在顆粒質(zhì)量濃度較小時(shí)并不適用。散射積分法主要是利用顆粒的全部散射光強(qiáng)積分值測量顆粒質(zhì)量濃度[11]。此方法基于 Fraunhofer 衍射理論，算法簡單且計(jì)算速度快，適用于低顆粒質(zhì)量濃度測量，其最大的優(yōu)點(diǎn)是無需預(yù)知粒徑分布便可直接獲得粉塵質(zhì)量濃度。因前向小角內(nèi)的散射光強(qiáng)積分值近似等效于全部散射光強(qiáng)積分值，本文中粉塵質(zhì)量濃度測量主要利用前向小角范圍內(nèi)散射光，采用散射積分法對(duì)顆粒質(zhì)量濃度進(jìn)行求解。散射積分法的假設(shè)條件中忽略了折射率及平均粒徑對(duì)質(zhì)量濃度測量結(jié)果的影響，在理論推導(dǎo)中也引用了近似等效條件，這都降低了測量系統(tǒng)的精確性?；陔姼旭詈显?charge-couple device,CCD)的光散射粉塵質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)因透射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于散射光強(qiáng)，測量時(shí)會(huì)采用針頭反射鏡反射透射光[12]，帶有小孔的反射鏡反射散射光[13]，遮擋CCD部分像素點(diǎn)等方法，避免中心透射光進(jìn)入CCD，這些措施也必然導(dǎo)致 0°附近極小范圍內(nèi)的散射光無法接收。此外，受CCD感光元件面積、光路孔徑光闌等限制，最大散射光接收角也無法達(dá)到π，一般到10°左右。因此，測量系統(tǒng)無法滿足散射積分法積分角下限為 0、上限為 π 的理想條件，導(dǎo)致質(zhì)量濃度測量誤差。本文作者針對(duì)測量系統(tǒng)不能滿足散射積分法的角度上限為π和下限為0的條件，對(duì)引起的質(zhì)量濃度測量誤差進(jìn)行模擬，分析折射率、平均粒徑和積分上下限引起的質(zhì)量濃度誤差規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，利用CCD高靈敏度、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于CCD 的光散射濃度測量系統(tǒng)，采用一些經(jīng)典方法去除透射光和雜散光對(duì)測量結(jié)果的影響，并利用已知孔徑的針孔對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)。最后利用聚苯乙烯小球溶液，對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

1　散射積分法粉塵質(zhì)量濃度測量原理

考慮在顆粒粒徑連續(xù)分布的氣固二相流中，在采樣區(qū)容積 VT內(nèi)，顆粒群的總體積 VP，則顆粒群的體積分?jǐn)?shù) ?V為

其中：f(a)為顆粒粒徑分布函數(shù)；a為顆粒直徑；AL為激光束的截面面積；s 為采樣長度。式(1)中分子代表采樣區(qū)內(nèi)顆粒群的總體積，從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度，它實(shí)際表示的是顆粒粒徑的 3階矩，即顆粒粒徑3 次方的期望值。若將顆粒的粒徑分布函數(shù)看成為描述事件出現(xiàn)概率的頻率分布函數(shù)，則又反映了顆粒粒徑3次方的平均值。

Fraunhofer 衍射理論[14]可以用來描述顆粒的光散射特性。粒徑分布為 f(a)的顆粒群，在不相關(guān)單散射的情況下，前向小角范圍內(nèi)散射角為 θ處的散射光強(qiáng)I(θ)[15]可表示為

式中：k=2π/λ，為波數(shù)；λ 為入射激光波長；I0為入射光強(qiáng)；J1為第1類Bessel函數(shù)。

KOO 等[16]對(duì)顆粒粒徑分布的積分變換反演算法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)幾種積分變換方法，可以統(tǒng)一寫為

式中：Hi(xθ)=2πxθJ1(xθ)N1(xθ)；Ei(θ)=I(θ)θ3為算法函數(shù)；N1為第2類Bessel函數(shù)；x=ka=2πa/λ。經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆e分變換操作，顆粒群的粒徑分布函數(shù)f(a)可寫為

采樣區(qū)域顆粒群的總體積VP的表達(dá)式為

從Bessel函數(shù)的定義和性質(zhì)，再經(jīng)過一定的積分變換[17]，可得

由式(6)可以看出：顆粒群的總體積與散射光強(qiáng)在無限空間的角度積分呈正比?？紤]到θ在物理意義上不存在無窮大，其全角積分即為 0～π。因此，可獲得顆粒體積分?jǐn)?shù)的新的解析表達(dá)式為

由式(7)顆粒體積分?jǐn)?shù) ?V，進(jìn)一步可計(jì)算顆粒質(zhì)量濃度為

式中：ρm為顆粒質(zhì)量濃度；ρ 為顆粒的真實(shí)密度。

2　散射積分法的數(shù)值模擬

散射積分法雖然以 Fraunhofer 衍射理論為基礎(chǔ)，但球形顆粒的光散射的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解是Mie理論，故模擬采用 Mie 理論計(jì)算散射光強(qiáng)。顆粒粒徑分布采用Johnson?SB函數(shù)[18]模式，此函數(shù)能夠擬合正態(tài)函數(shù)、對(duì)數(shù)正態(tài)函數(shù)、Rosin?Ranimler 分布函數(shù)以及修正β函數(shù)等，表達(dá)式為

式中：f(a)為粒徑分布離散值。

由角度積分上限和積分上限，導(dǎo)致的顆粒質(zhì)量濃度相對(duì)誤差可表示為

式中：θinf和 θsup分別為假定的角度積分下限和積分上限。

假定λ=0.532 μm，粒徑分布函數(shù)的參數(shù)分成 3種：σ=2.5，μ =?2 ；σ=2.5，μ =0；σ=4.8，μ =0。折射率m假設(shè)為m=1.8非耗散性顆粒和m=1.57?0.56i耗散性顆粒2 種情況。圖1和圖2 所示為散射積分法角度積分下限 θinf不為 0°時(shí)的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差曲線。從圖1可以看出：無論是耗散性還是非耗散性顆粒，質(zhì)量濃度相對(duì)誤差 Δ 與 θinf近似呈線性關(guān)系，并隨著 θinf的增加而迅速增大。當(dāng) θinf=0.1°時(shí)，40 μm平均粒徑下的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差可達(dá)到25%，故角度積分下限 θinf需控制在 0.1°以下。從圖2可以看出：當(dāng) θinf=0.01°時(shí)，不同分布參數(shù)下同一平均粒徑的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差差距較小，故粒徑分布對(duì)測量結(jié)果影響較小，而平均粒徑是影響質(zhì)量濃度誤差最主要的因素，并與質(zhì)量濃度相對(duì)誤差近似呈線性關(guān)系。另外，不同折射率下的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差曲線幾乎重疊，折射率的類型對(duì)質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響可近似忽略。

圖1　θinf≠0°時(shí)的積分下限對(duì)顆粒質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響Fig.1　Effect of lower limit on relative error of dust massConcentration at θinf≠0°

圖2θinf=0.01°時(shí)平均粒徑對(duì)粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響Fig.2Effect of lower limit on relative error of dust massConcentration at θinf=0.01°

圖3　θsup≠π時(shí)積分上限對(duì)粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響Fig.3　Effect of upper limit on relative error of dust massConcentration at θsup≠π

圖4θsup=5°時(shí)平均粒徑對(duì)粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響Fig.4Effect of mean particle size on relative error of dust massConcentration at θsup=5°

圖3和圖4所示為角度積分上限 θsup不為 π 時(shí)的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差。由圖3可以看出：當(dāng) θsup在1°～10°內(nèi)不斷增加時(shí)，質(zhì)量濃度相對(duì)誤差先急劇下降再逐漸平穩(wěn)趨于定值，當(dāng) θsup大于 5°時(shí)，質(zhì)量濃度相對(duì)誤差可近似不再降低，故測量系統(tǒng)的散射角接收上限可設(shè)定在5°附近；當(dāng)積分上限 θsup為5°時(shí)，不同粒徑分布參數(shù)對(duì)質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響可忽略，而濃度相對(duì)誤差隨著平均粒徑的減小而不斷增加，當(dāng)粒徑為16 μm時(shí)，質(zhì)量濃度相對(duì)誤差可達(dá)到7%。

在實(shí)際測量系統(tǒng)中，角度積分下限的大小主要由去除透射光而引起的0°附近散射光無法利用，而角度積分上限則是由散射光收集透鏡所能接收的最大散射角決定，而收集透鏡對(duì)測量區(qū)域不同位置的散射光的最大接收角也不同。設(shè)定 θinf為0.03°，θsup在5°～10°時(shí)符合實(shí)際測量系統(tǒng)的散射光接收角范圍。圖5所示為積分下限 θinf=0.03°，積分上限 θsup=5°～10°時(shí)，平均粒徑D32在20～40 μm的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差曲線。由圖5可見：非耗散性顆粒的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差約為10%，而耗散性顆粒的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差近似與粒徑呈線性關(guān)系并逐漸增加，但在整個(gè)粒徑范圍內(nèi)均低于非耗散性的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差，主要由非耗散性顆粒有較多的后向散射光而引起。因質(zhì)量濃度絕對(duì)誤差都為正值，質(zhì)量濃度相對(duì)誤差浮動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，所以，通過對(duì)實(shí)際散射積分區(qū)間的光強(qiáng)積分與樣品質(zhì)量濃度的比值進(jìn)行標(biāo)定，可以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5　θinf=0.03°和θsup為5°～10°時(shí)平均粒徑D32對(duì)顆粒質(zhì)量濃度相對(duì)誤差的影響Fig.5　Effect of mean particle diameter D32 on relative error of dust massConcentration at θinf=0.03°and θsupof 5°?10°

圖6　光散射顆粒質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)示意圖Fig.6　Schematic diagram of light scattering measurement system for dust massConcentration

圖7　激光光束截面光強(qiáng)圖Fig.7　Intensity distribution diagram of laser beam over itsCross-section

3 測量系統(tǒng)及校準(zhǔn)試驗(yàn)

3.1光散射粉塵質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)

圖6所示為光散射粉塵濃度測量系統(tǒng)示意圖。由圖6可以看出：激光器為全固態(tài)激光器，波長 λ=0.532 μm，光束直徑Dw=1mm，功率P=30 mW。激光光束經(jīng)過中性密度濾光片進(jìn)行光強(qiáng)衰減后進(jìn)入空間濾波器，空間濾波器由2個(gè)平凸透鏡(焦距 f1=15 mm，f2=60 mm)和1個(gè)針孔(孔徑Dh=40 μm)組成，可以濾除大部分由激光器產(chǎn)生的雜散光，并對(duì)光束進(jìn)行4倍擴(kuò)束和準(zhǔn)直。圖7所示為經(jīng)濾波器前后的激光器光束截面，其中光強(qiáng) I 為光強(qiáng)相對(duì)值。由圖7可以看出：經(jīng)過空間濾波器的光束截面附近毛刺消失，光束截面光強(qiáng)曲面更為光滑。測量區(qū)域?yàn)楣獬虨?0 mm的通光石英比色皿，散射光收集透鏡(焦距 f=60 mm，直徑Φ=50.8 mm)置于比色皿后60～80 mm的位置，將測量區(qū)域內(nèi)顆粒的散射光會(huì)聚透射到CCD鏡頭內(nèi)[19]。45°斜拋的針頭反射面放置在收集透鏡后焦點(diǎn)處，可將絕大部分中心透射光反射至光收集器。CCD相機(jī)感光面為 768×576 像素點(diǎn)，像素點(diǎn)長×寬為 8.30 μm× 8.30 μm，鏡頭為日本Computar M3514?MP(焦距為35 mm，光圈為1.4)，鏡頭與相機(jī)機(jī)身之間加5 mm長度轉(zhuǎn)接環(huán)。

測量系統(tǒng)中存在的大量雜散光來源于激光器的雜散光、光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束產(chǎn)生散射和環(huán)境光等，除了利用空間濾波器濾除激光器的雜散光、針頭反射鏡反射透射光到光線收集器外，還可以進(jìn)行透鏡鍍膜，測量區(qū)域玻璃容器較小角度斜置，在黑暗環(huán)境下測量等，以減少雜散光的影響。

3.2測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)及線性度驗(yàn)證

將針孔放置在測量區(qū)域時(shí)，激光光束入射小孔發(fā)生衍射，衍射光的光強(qiáng)圖進(jìn)入CCD 并計(jì)算出光強(qiáng)角分布曲線，與理論情況下的光強(qiáng)角分布曲線對(duì)比，并采用一元二次函數(shù)對(duì)理論光強(qiáng)曲線的角度進(jìn)行校準(zhǔn)以匹配實(shí)際光強(qiáng)曲線。首 先利用大孔徑的針孔D=120 μm 和100 μm 對(duì)測量光路的放大率進(jìn)行校準(zhǔn)，在確定放大率的情況下，利用針孔D=20 μm和40 μm對(duì)CCD拍攝圖像的角度進(jìn)行校準(zhǔn)[19]。

圖8所示為經(jīng)過校準(zhǔn)后的120 μm 針孔的光強(qiáng)分布曲線。由圖8可知：通過對(duì)比 Fraunhofer 衍射值與試驗(yàn)值，可 以確定CCD相機(jī)鏡頭的最大放大率a≈0.3，角度校準(zhǔn)公式為。因小孔的制造精度限制(孔徑絕對(duì)誤差為±2 μm)以及雜散光的影響，所以，實(shí)驗(yàn)值與理論還有一定的偏差。圖9所示為20 μm小孔的光強(qiáng)分布曲線。由圖9可以看出：CCD可以探測到第3個(gè)波峰，但偏差較大，其他峰值被雜散光和暗電流信號(hào)淹沒。

CCD 線性度驗(yàn)證時(shí)，通過控制曝光時(shí)間 ΔT，調(diào)節(jié)進(jìn)入CCD的光量。圖10所示為當(dāng)小孔孔徑為20 μm時(shí)，衍射主峰和第2波峰的光強(qiáng)與曝光時(shí)間 ΔT 的關(guān)系。0.3～320 ms的曝光時(shí)間內(nèi)主峰和第2波峰的光強(qiáng)的離散值，與斜率為0.01的直線相比，主峰光強(qiáng)，第2 波峰光強(qiáng)值均與曝光時(shí)間呈良好的線性關(guān)系。線性范圍大于2個(gè)數(shù)量級(jí)，這與CCD 相機(jī)的像素點(diǎn)位深為8位較吻合。

圖8　120 μm孔徑小孔的衍射光強(qiáng)曲線Fig.8　Diffraction pattern of a120 μm pinhole

圖9　20 μm孔徑小孔衍射光強(qiáng)曲線Fig.9　Diffraction pattern of a 20 μm pinhole

圖10　不同曝光時(shí)間ΔT下CCD線性度Fig.10　CCD linearity with different exposure time

4　顆粒質(zhì)量濃度試驗(yàn)結(jié)果及討論

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度測量的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中采用了國家標(biāo)準(zhǔn)顆粒GBW(E)120004(10 μm)和GBW(E)120006(20 μm)作為樣品，懸浮液中聚苯乙烯小球的顆粒數(shù)及平均粒徑都經(jīng)光學(xué)顯微鏡直接測量的絕對(duì)方法進(jìn)行標(biāo)定。首先移除針頭，通過透射光的焦點(diǎn)確定散射光中心，然后將加入空白溶液的比色皿放置在測量區(qū)域進(jìn)行背景圖像測量，最后測量加入樣品的比色皿的散射圖像，通過樣品散射圖像與背景圖像的散射光強(qiáng)差，可得懸浮液中小球的散射光強(qiáng)曲線。圖11所示為 GBW(E)120006(20 μm)樣品中小球的散射光強(qiáng)曲線圖，離散點(diǎn)為系統(tǒng)測得平均粒徑為20 μm的多分散度顆粒群的散射光強(qiáng)，實(shí)線為20 μm單分散顆粒的Fraunhofer 衍射理論光強(qiáng)曲線。由圖11可見：雖然在較大角度上實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)與理論光強(qiáng)有較大差距，但整體上兩者匹配程度較好，并因大角度的散射光強(qiáng)測量相對(duì)誤差對(duì)測量結(jié)果的影響遠(yuǎn)小于極小散射角，故此系統(tǒng)可以滿足樣品質(zhì)量濃度的測量的要求。

表1所示為懸浮液中2種標(biāo)定質(zhì)量濃度聚苯乙烯小球的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。由表1可知：實(shí)測質(zhì)量濃度與標(biāo)定質(zhì)量濃度的相對(duì)誤差基本在15%以內(nèi)，由于懸浮液中顆粒分布不均勻，以及存在氣泡等原因，難免有大的測量質(zhì)量濃度誤差存在，但從整體上看，系統(tǒng)的質(zhì)量濃度測量結(jié)果與標(biāo)定結(jié)果一致性較好。

圖11　GBW(E)120006(20 μm)樣品的顆粒散射光強(qiáng)曲線圖Fig.11　Scattering intensityCurves of sample,GBW(E)120006(20 μm)

表1　2種粒徑顆粒的質(zhì)量濃度測量結(jié)果Table1　MassConcentration measurements of sample with two particle diameters

5　結(jié)論

1)對(duì)利用散射積分法的煙塵質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，研究了平均粒徑和散射角區(qū)間對(duì)測量結(jié)果的影響，驗(yàn)證了散射積分法無需預(yù)知粒徑的優(yōu)點(diǎn)，而當(dāng)散射角積分為 0.03°～5°時(shí)就可以滿足質(zhì)量濃度測量需要。

2)測量系統(tǒng)具有高靈敏度和較好的線性度，線性度范圍大于2個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)校準(zhǔn)后的衍射光強(qiáng)曲線與理論光強(qiáng)曲線吻合較好。

3)因樣品質(zhì)量濃度不均勻、存在氣泡等原因，導(dǎo)致少量單獨(dú)測量的質(zhì)量濃度相對(duì)誤差較大，但整體上實(shí)測值與標(biāo)定值一致性較好，證明了光散射測量系統(tǒng)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]JIANG Lili,ZHANG Yunhui,SONG Guixiang.A time series analysis of outdoor air pollution and preterm birth in Shanghai[J].Biomedical and Environment Sciences,2007,20(5): 426?431.

[2]劉小虎.粉塵濃度測量技術(shù)研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,2013: 2?7.LIU Xiaohu.Study on powderConcentration measurement technology[D].Xi’an: Xi’an Technological University.School of Electronic Information Engineering,2013: 2?7.

[3]DEGAN G A,PINZARI D L M.Monitoring airborne dust in an Italian basalt quarry:Comparison between sampling methods [C]//Air Pollution XXI.Siena,Italy: WIT Press,2013: 75?84.

[4]AWAD T S,MOHARRAM H A,SHALTOUT O E,et al.Applications of ultrasound in analysis,processing and qualityControl of food: a review[J].Food Research International,2012,48(2): 410?427.

[5]王超,王玉琳,張文彪.基于靜電傳感的氣固兩相流測量及研究裝置[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(1):1?9.WANGChao,WANG Yulin,ZHANG Wenbiao.Gas-solid two-phase measurement and research apparatus based on electrostatic sensing[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument,2011,25(1):1?9.

[6]GOBRECHT A,BENDOULA R,ROGER J M,et al.Combining linear polarization spectroscopy and the Representative Layer Theory to measure the Beer–Lambert law absorbance of highly scattering materials[J].AnalyticaChimica Acta,2015,853(1): 486?494.

[7]DICK V P.Applicability limits of Beer’s law for dispersionmedia with a highConcentration of particles[J].Applied Optics,1998,37(21): 4998?5004.

[8]HEINISCH R L,BRONOLD F X,FEHSKE H.Mie scattering by aCharged dielectric particle[J].Physical Review Letters,2012,109(24): 6380?6383.

[9]許玉鳳.基于光度計(jì)法的粉塵質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京:南京理工大學(xué)理學(xué)院,2007:11?25.XU Yufeng.Research and development of the system for dust massConcentration measurement based on photometer measurement[D].Nanjing: Nanjing University of Science and Technology.School of Science,2007:11?25.

[10]邢鍵.基于光后向散射法的煙塵濃度測量技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,2010: 82?102.XING Jian.Research on measurement technology of sootConcentration based on light backscattering[D].Harbin: Harbin Institute of Technology.School of Science,2010: 82?102.

[11]趙延軍.光散射型顆粒濃度在線監(jiān)測方法及CEM 系統(tǒng)研究[D].南京: 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,2004: 33?43.ZHAO Yanjun.Investigation on in-situ measurement of particleConcentration by laser scattering[D].Nanjing: Southeast University.School of Energy and Environment,2004: 33?43.

[12]LAMANNA G,SUN H,WEIGAND B,et al.Measurements of droplet vaporisation by means of light scattering[J].Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,2005,261(1):153?161.

[13]BERG M J,HILL SC,GURTON G V A K P.Spatial filtering technique to image and measure two-dimensional near-forward scattering from single particles[J].Optics Express,2010,18(9): 9486?9495.

[14]KHONINA S N,USTINOV A V,KOVALYOV A A,et al.Near-field propagation of vortex beams: models andComputation algorithms[J].Optical Memory and Neural Networks,2014,23(2): 50?73.

[15]VAN DE HULST HC.Light scattering by small particles[M].USA: Dover Publications,1982: 28?32.

[16]KOO J H,HIRLEMAN E D.Synthesis of integral transform solutions for the reconstruction of particle-size distributions from forward-scattered light[J].Applied Optics,1992,31(12): 2130?2140.

[17]LIU J.Essential parameters in particle sizing by integral transform inversions[J].Applied Optics,1997,36(22): 5535?5545.

[18]YU A B,STANDISH N.A study of particle size distributions[J].Powder Technology,1990,62(2):101?118.

[19]LEE D,GUTOWSKI I A,BAILEY A E,et al.Investigating the microstructure of a yield-stress fluid by light scattering[J].Physical Review E,2011,83(3):1?18.

(編輯 劉錦偉)

ACCD–based measurement system for dust massConcentration through light scattering

ZHANGChenyu1,LI Shu2,XUChuanlong1, WANG Shimin1
(1.Key Laboratory of Energy ThermalConversion andControl of Ministry of Education,School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China? 2.Department of Science and Technology Development,Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology,Nanjing 210037,China)

Abstract:The scattering integration methodCan be applied to measure dust massConcentration.However,the measurement system based on scattering integration method has inherent disadvantages that the upper limit of the scattering angle is less than π and the lower limit is more than zero.The measurement error of dust massConcentration was analyzed throughCalculating angular distribution of scattering intensity.Considering thatCharge-coupled device(CCD)has advantages of high sensitivity,low noise and good linearity,aCCD-based measurement system for dust massConcentration was built.The angular resolution and magnification of the measurement system wereCalibrated through known-size pinholes,and the sensitivity and linearity of theCCD were tested.Finally,the experiments wereCarried out to evaluate the measurement system through the use of the polystyrene solutions with known particle sizes andConcentrations.The results show that the influence of dust particle size on dust massConcentration measurementCan be ignored and the scattering angle range within 0.03°?5° is enough for the dust massConcentration measurement using the scattering integration method.The measurement relative error of dust massConcentration is less than15%.

Key words:dust massConcentration?CCD?scattering integration method?light scattering

中圖分類號(hào)：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672?7207(2016)01?0290?08

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.040

收稿日期：2015?01?03；修回日期：2015?03?10

基金項(xiàng)目(Foundation item)：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376049)；國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012QK176)(Project(51376049)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(2012QK176)supported by the Science and Technology Development Program of Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of People’s Republic ofChina)

通信作者：許傳龍，教授，博士生導(dǎo)師，從事多相流測試技術(shù)研究；E-mail:Chuanlongxu@seu.edu.cn